床存量對(duì)循環(huán)流化床鍋爐啟動(dòng)床料動(dòng)態(tài)平衡的影響

康曉江，馬素霞，郭 俊

（1.山西昱光發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 山陰 036900；2.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024；3.中核新能核工業(yè)工程有限責(zé)任公司，山西 太原 030012）

循環(huán)流化床鍋爐CFB（Circulating Fluidized Bed）在初次啟動(dòng)時(shí)要鋪設(shè)一定厚度的惰性床料，隨著煤和脫硫劑的不斷送入，這些物料被分離器和排渣裝置不斷篩選，粗大顆粒和極細(xì)顆粒以底渣和飛灰的形式排出，而中間檔顆粒（主要存在于循環(huán)灰中）逐漸被保存下來(lái)，形成了鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行所要求的床料[1]。

1 循環(huán)流化床鍋爐啟動(dòng)物料平衡系統(tǒng)

循環(huán)流化床鍋爐是連續(xù)進(jìn)料、床底及分離器排出灰渣的“一進(jìn)二出”寬篩分物料系統(tǒng)[2-3]，見圖1。

1.1 物料動(dòng)態(tài)平衡模型

CFB鍋爐物料動(dòng)態(tài)平衡模型簡(jiǎn)化假設(shè)為：不考慮給煤在爐內(nèi)進(jìn)行的一系列破碎、燃燒等物理化學(xué)過(guò)程，而直接采用燃煤的本征成灰粒度分布；入爐灰和床料在爐內(nèi)時(shí)刻經(jīng)歷著磨耗過(guò)程[4-5]。

針對(duì)每一時(shí)刻各粒擋的床料建立平衡方程，即根據(jù)t時(shí)刻的床料計(jì)算t+1時(shí)刻的飛灰和底渣，進(jìn)而計(jì)算t+1時(shí)刻的床料粒度分布。

圖1 循環(huán)流化床鍋爐“一進(jìn)二出”物料平衡系統(tǒng)

式中：M——床存量，kg；

Xi——床料中第i擋顆粒的質(zhì)量份額；

G（i）——入爐灰中第i擋顆粒流率，kg/s；

F（i）——飛灰中第i擋顆粒流率，kg/s；

Z（i）——底渣中第i擋顆粒流率，kg/s；

R（i）——磨耗導(dǎo)致的第i擋顆粒質(zhì)量變化率[4]，kg/s。

根據(jù)式（1），可以計(jì)算出第i擋顆粒在t+1時(shí)刻與t時(shí)刻之間的質(zhì)量變化率。

當(dāng)（d Xi/d t）=0時(shí)，各擋顆粒的質(zhì)量不再變化，認(rèn)為鍋爐完成啟動(dòng)過(guò)程，達(dá)到了穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

對(duì)于底部排渣，模型采用逐擋排渣方式，即先排出最后第z擋顆粒，再排第z-1擋顆粒，以此類推，直至達(dá)到要求的排渣量。底渣計(jì)算方法見式（2）、式 （3）。

式中：G——入爐煤流率，kg/s；

tp——顆粒在爐膛中的平均停留時(shí)間，s，根據(jù)煤質(zhì)確定。

飛灰流率[2]見式 （4）。

式中：η（i）——分級(jí)分離效率；

A——爐膛截面積，m2；

E（i）——飽和夾帶流率。

爐膛出口處（認(rèn)為在輸送分離高度TDH以上）的飽和夾帶流率E（i）采用Wen-Chen模型[2-6]。

式中：ρg——流化空氣密度，kg/m3；

ut（i）——第i擋顆粒終端沉降速度，m/s；

u0——流化風(fēng)速，m/s。

磨耗引起的第i擋顆粒質(zhì)量變化率R（i），計(jì)算式見式 （7）[4]。

式中：mt（di）——第i擋顆粒中較小的顆粒發(fā)生磨耗后落入下一擋的質(zhì)量流量；

matt（di）——第i擋顆粒的磨耗質(zhì)量流率。

1.2 床存量

床存量是指保存在流化床內(nèi)的固體物料量，有時(shí)工程中也將密相區(qū)床料稱為床存量，其可通過(guò)料層差壓來(lái)監(jiān)控，即密相區(qū)床料底部與表面之間的壓力差[1]。料層差壓和床存量對(duì)循環(huán)流化床內(nèi)的氣固兩相流體動(dòng)力特性有重要影響，關(guān)乎著循環(huán)流化床鍋爐啟動(dòng)運(yùn)行中的物料動(dòng)態(tài)平衡。

在CFB鍋爐的實(shí)際運(yùn)行中，靜止料層厚度一般控制在350～600 mm之間。在床料粒度分布合理的情況下，床存量可以反映出爐內(nèi)的循環(huán)物料量。

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

根據(jù)鍋爐尺寸和靜止料層厚度計(jì)算密相區(qū)的床存量，鍋爐參數(shù)選取某350 MWCFB機(jī)組的設(shè)計(jì)尺寸，對(duì)比選取的靜止料層厚度為400mm和600 mm，分離器切割粒徑為20μm，截止粒徑為110μm，流化風(fēng)速為5 m/s，給煤灰流率為28 kg/s。通過(guò)數(shù)值計(jì)算分析床存量對(duì)床料動(dòng)態(tài)平衡的影響。

2.1 床存量對(duì)穩(wěn)態(tài)床料粒度分布的影響

從圖2可以看出，料層厚度400 mm和600 mm時(shí)的穩(wěn)態(tài)床料粒度分布相同，說(shuō)明啟動(dòng)床存量對(duì)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)下的床料粒度分布基本沒(méi)有影響。篩選完成后的床料顆粒主要集中在106～500μm范圍。其中，106～150μm擋顆粒的質(zhì)量份額為7.7%，150～212μm擋顆粒的質(zhì)量份額為72.1%，212～300μm擋顆粒的質(zhì)量份額為7%，300～500μm擋顆粒的質(zhì)量份額為2.5%。75μm以下和500μm以上顆粒擋的份額非常少。

圖2 穩(wěn)態(tài)床料粒度分布

2.2 床存量對(duì)床料粒度分布動(dòng)態(tài)平衡的影響

圖3顯示了床存量對(duì)啟動(dòng)床料粒度分布動(dòng)態(tài)平衡的影響。圖 3中兩種工況下 150～212μm、212～300μm擋顆粒質(zhì)量份額的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)。料層厚度h=400 mm時(shí)的床料粒度分布在啟動(dòng)約2.5 h以后逐漸穩(wěn)定下來(lái)，而h=600 mm時(shí)的床料粒度分布在啟動(dòng)4 h以后才穩(wěn)定下來(lái)。所以，料層越薄，密相區(qū)床存量越少，床料篩選過(guò)程所用的時(shí)間越少，啟動(dòng)過(guò)程縮短，啟動(dòng)能耗降低，但是，料層薄會(huì)造成粗碳顆粒的停留時(shí)間縮短。

2.3 分離器性能對(duì)動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程的影響

圖3 動(dòng)態(tài)床料粒度分布

分離器性能對(duì)床料的篩選有著重要的作用，本文通過(guò)數(shù)值計(jì)算綜合分析了不同截止粒徑對(duì)不同床存量的啟動(dòng)床料動(dòng)態(tài)平衡的影響。

圖4 床料中150～212μm擋顆粒動(dòng)態(tài)變化

圖4給出了靜止料層厚度為600 mm和400 mm、截止粒徑為100μm和110μm時(shí)床料中 150～212μm擋顆粒質(zhì)量份額的變化曲線。靜止料層厚度為400 mm，截止粒徑為110μm時(shí)該擋床料顆粒的質(zhì)量份額為72.1%，啟動(dòng)2.8 h后即可達(dá)到穩(wěn)態(tài)；靜止料層厚度為400 mm，截止粒徑為100μm時(shí)該擋床料顆粒的質(zhì)量份額為61.5%，啟動(dòng)約4 h后達(dá)到穩(wěn)態(tài)；靜止料層厚度為600 mm，截止粒徑為110μm時(shí)該擋床料顆粒的質(zhì)量份額為70%，啟動(dòng)約4.7 h后達(dá)到穩(wěn)態(tài)；靜止料層厚度為600 mm，截止粒徑為100μm時(shí)該擋床料顆粒的質(zhì)量份額為63%，啟動(dòng)4.2 h后才達(dá)到穩(wěn)態(tài)。截止粒徑越小，穩(wěn)態(tài)床料越細(xì)，但是截止粒徑越小，啟動(dòng)時(shí)間不一定越長(zhǎng)。這要綜合分析初始床料的分布與分離器性能。因此，為了優(yōu)化CFB鍋爐啟動(dòng)過(guò)程，除了床存量，還要考慮初始床料粒度分布、分離器性能及燃煤成灰特性等因素。

3 結(jié)論

循環(huán)流化床鍋爐啟動(dòng)床料中，粗大顆粒和細(xì)微顆粒在分離器和排渣系統(tǒng)的雙重作用下排出，中間擋顆粒的質(zhì)量份額越來(lái)越大，并成為床料的主要組成部分。在保證良好流態(tài)、料層不被吹空的情況下，減小床存量能夠縮短CFB鍋爐的啟動(dòng)時(shí)間、加快爐內(nèi)床料的篩選過(guò)程，但對(duì)穩(wěn)態(tài)后床料粒度分布的影響很小。截止粒徑是影響分級(jí)分離效率和動(dòng)態(tài)床料粒度分布的重要參數(shù)，需要綜合考慮。

［1］ 黨黎軍.循環(huán)流化床鍋爐的啟動(dòng)調(diào)試與安全運(yùn)行［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2002：29-54.

［2］ 馬素霞，王明敏，岳光溪.循環(huán)流化床的物料平衡和運(yùn)行中的物理現(xiàn)象［J］.熱能動(dòng)力工程，2004，19（5）：530-533.

［3］ 楊海瑞，岳光溪，呂俊復(fù)，等.循環(huán)流化床鍋爐物料平衡分析［J］.熱能動(dòng)力工程，2005，20（3）：291-295.

［4］ 楊海瑞.循環(huán)流化床物料平衡研究［D］.北京：清華大學(xué)，2003.

［5］ YANGHai-rui，YUE Guang-xi.etal.1D modeling on the material balance in CFB boiler［J］.Chemical Engineering Science，2005，60：5603-5611.

［6］ GELDARTD，CULLINANJ，GEORGCHIADES.etal.The effect of fines on entrainment from gas fluidized beds ［J］.Trans Inst Chem Engrs，1979，57：269-275.